基于ANSYS的水冷电机控制器散热仿真分析

宝怡 2023年11月9日浏览：1175 评论：1 收藏：4

摘要：

电机控制器中的主要散热器件有电容和IGBT等,其散热性能直接关系到电机的输出。以控制器中的8个电容及3个IGBT为主要热源,采用有限元分析的稳态热模块及流体模块,分别对其进行温度仿真分析,分析对比在使用水冷散热前后主要发热器件的散热状态,得出水冷散热的仿真效果比常态下的温度降低约27℃,为实际产品的设计生产提供支撑。

关键词：控制器;水冷;热仿真;

0 引言

随着电子产品小型化的发展，控制器的尺寸随着元器件的小型化逐渐减小，但元器件的热功率密度越来越大，其运行时会产生大量的热，为此研究主要元器件在狭窄结构空间的散热，保证其不超过耐热极限[1,2]。水的比热容是空气的4倍，选用水冷板对其进行散热处理，可以提高散热效率[3,4]。以5.5 k W控制器为例，对其主要发热器件电容及IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅极型晶体管）进行热仿真分析。

1 控制器的前处理

1.1 控制器结构降阶处理

对5.5 k W控制器进行3D建模，显示控制器有1215个部件，控制器模型如图1所示。若全部仿真会使模拟计算量和时间增加，一般需要进行模型降阶处理[5]。

基于ANSYS的水冷电机控制器散热仿真分析的图1

图1 控制器模型

保留控制器的主要发热器件为8个电容及3个IGBT，保留壳体及水冷板。将壳体外部的航空插头、发热不严重的电路板及控制器外壳的螺纹孔全部填补完整。将水冷板的壳体与水道使用布尔减的方法进行分离，防止后期网格划分时，将壳体和水道划为整体，导致网格划分不合适，计算失败。模型降阶情况如图2所示。

1.2 控制器网格设置

网格划分的好坏直接关系到计算的结果和计算时间的长短，所以在进行网格划分的时候，优先选择曲面状的物体进行网格划分，这样在网格划分的时候就可以保证曲面的完整性。对其他规则体选择自动划分或者是六面体网格划分即可。

基于ANSYS的水冷电机控制器散热仿真分析的图2

图2 控制器模型降阶

对水冷板的水道进行网格划分时，要使用两种网格的划分方式，一是水冷板的外壳选择六面体网格的划分；二是单独对水冷板水道部分使用多区域式网格划分，并为其添加膨胀层。这里添加膨胀层是因为网格模仿了内部的流体，它其实外面还有一层墙壁，墙壁与流体之间有相互作用，导致靠近墙壁的粘滞效应比较显著，会出现紊流现象，为捕捉此处的梯度变化所以采用局部加密的办法，也就是添加膨胀层。

以命名的方法设置速度入口Inlet、压力出口Outlet，方便在流体模块时，软件能够自动读取水冷板的进水口和出水口。单元网格尺寸为0.002 m，其网格划分选择情况如图3所示。

2 控制器稳态热分析

先使用稳态热模块导入已经处理好的降阶控制器模型，之后进行工程数据的修改，添加热材料铝、硅等并将其进行对应匹配，外壳选用铝，发热器件选择硅。接下来进行条件设置，设置初始温度为20℃，添加内部生成热，选择3个IGBT给定数值。2×10-5W/mm3，设置对流；再次添加内部生成热，选择3个IGBT给定数值。2×10-5W/mm3，设置对流；对其进行求解，温度求解云图如图4。

稳态热模块下云图显示结果为：8个电容的最大温度为56.897℃，3个IGBT的最大温度为56.1℃，不通水的水冷板仅靠铝材本身散热的温度为55～56℃。

3 控制器流体模块分析

将前面建立好的控制器降阶模型导入流体模块，并对其进行网格划分，再进行边界条件设定。能量方程打开，黏性选择层流，这一模块里需要设置材料材质分别为铝和液态水；修改速度入口为液态水，速度为1 m/s，温度20℃。在流体模块中进行参数化设置，设置输入参数：生热率=热耗散功率/体积，芯片的热耗散功率是20 W，用表达式将生热率表示出来，设置输出参数为压力出口Outlet，进行分析[6]，最后进行迭代求解。流体结果分析云图如图5、图6、图7所示。

基于ANSYS的水冷电机控制器散热仿真分析的图3